煤炭燃烧对上海市大气质量影响的分析

第３２卷第１０期

２００７年１０月煤炭学报Ｖ一．３２０ｃｔ．Ｎｏ．１０２００７ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＣＨＴＮＡＣＯＡＴ．ＳＯＣＩＥＴＹ

９９９３（２００７）１０一１０７００５文章编号：０２５３

煤炭燃烧对上海市大气质量影响的分析

杨书申Ｌ２，邵龙义２，李卫军２，张桂林３，谈明光３

（１．Ｉ『・原工学院环境工程系，河南郑州４５０００７；２中国矿业大学（北京）煤炭资源与安伞开采围家重点实验室．北京１０００８３；３中国科学院上海应用物理研觅斩，上海２０１８００）

摘要：分析了２（】０５年上海市大气主要污染物的污染水平厦变化情况，并利用单颗粒法对由煤

炭燃烧引起的主要可吸入颗粒物类型的微观特征进行分析结果表明：上海市超大量的煤炭燃

烧，造成上海市大气中ｓ０，浓度年平均值已经超过国家空气质量＝级标准，并呈逐年上升的趋

势；煤炭燃烧产生的颗粒物的微观形貌具有明显的特征，可以在一定程度上通过大气ＰＭ¨，中的

不同类型的颗粒物的比例情况判定煤炭燃烧对犬气污染的贡献；上海市２００５年大气ＰＭ。中的飞

灰、烟尘集合体和规则颗粒物的数量占总颗粒数的比例分别是１０．４２％，３１．９８％和２．１９％，反

映了煤炭燃烧对上海市大气质量的严重影响．

关键词：煤炭燃烧；可吸八颗粒物；二氧化硫；质量浓度；微观形貌

中图分类号：ｘ５１文献标识码：Ａ

Ｉｎｎｕｅｎｃｅｏｆｃｏａｌｃｏｍｂ吣ｔｉｏⅡｏｎａｔｍ懈ｐｈｅ—ｃｑｕａｌｉｔｙｉｎＳｈａｎｇｌＩａｉ

ｗｅｉ弓ｌＩＩ】２，ｚＨＡＮＧＧｕｉＪｉｎ３，ＴＡＮＹＡＮｃｓｈｕ—ｓｈｅｎｌ一，ｓＨＡｏＬｏ“ｇ—ｙｉ２，Ｌ１Ｍｉ“ｇ一蚤嗡ｎ矿

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ｐｏⅡｕ石ｏｎ２０１８００，吼ｍ）ｓｔａｔｕｓＡｂｓｔｌ伽ｔ：ｎ８ａｎｄｖａｒｉａｔｉｏ工ｌｓｏｆｐｒｉｎｃｉｐａｌ打ｐ０１１ｕｔａｎｔｓ

ｈｙ０ｆＳｈａＩｌｇｈａｉｉｎ２００５ｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄａｎｄｔｈｅｌＴＩｏｒｐｈｏｌｏ矛ｅｓ０ｆｍａｊｏｒｉｎｈａｌａｂｋｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ‘ｙｐｅｓｃａｕｓｅｄｃｏａｌｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｗｅｒｅｉｎｖｅｓｎｇａｔｅｄｂｙｉｎｄｉｖｉｄｕａｌｐａｎｉｃｌｅ

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ｔｏＳｈ明ｇｈａｉｅｘｃｅｅｄｅｓｔｈｅｓｅｃｏｎｄｓｔａｎｄ－ｔ０ａｒｄｌｉｍ“０ｆ“ｎａｔｉｏｎｓｔ蚰ｄａｒｄｆｏｒａＩｌｌｂｉｅｎｔａ计ｑＬｌａｌ畸”ａＩｌｄｈａｓａⅡ℃ｎｄｒｉｓ。ｙｅａｄｙｄｕｅｉｎｔｅｎｓｉｖｅｃｏａｌｃｏｎｓｕｍｐ—

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我国的能源结构一直以煤炭为丰，大量的煤炭消耗带来了严重的空气污染，给人们的生产、生活及身体健康带来危害，斟此研究煤炭燃烧对城＿巾环境的影响，控制和减少其危害，具有重要意义．笔者以我国的经济中心上海市为例，研究煤炭燃烧对环境空气质量的影响，探讨煤炭消耗与环境空气质量的关系．

收稿日期：２００６一１２一ｌｏ责任编辑：柳玉柏

基金项目：国家自然科学基套项目（４０５７５０６５）；国家９７３基金资助项目（２００６ｃ阱０３７０１）

作者简介：杨书申（１９６６一），河南唐河人，副教授，博土Ｅ—ｍａｉｌ：ｙａｌｌ胛＠豇ｔ・．ｅｄｕ虮联系人：邵监义（１９６４一），男，河商灵韦＾，教授，博士生导ｍⅡ．Ｔｅｌ：０１０～６２３３１２４８８５２３，Ｅ一岫ｌ：ｓｈａ０Ｌ＠ｃｕ硼血ｅｄｕｃｎ

第１０期杨书申等：煤炭燃烧对上海市大气质量的影响分析

１上海市的能源结构及煤炭消耗

２０世纪９０年代以来，上海的经济持续快速地发展，２００４年，上海市全年实现生产总值（ＧＤＰ）７４５０．２７亿元．伴随而来的是能源消费茸陡增，１９９７年全市能源消费总量为４８００万ｔ标准煤，２００４年达到７２４０．４６万ｔ标准煤（上海市统计局，２００４年上海市国民经济和社会发展统计公报），ｌｏａ巾能源消费增速达到５．４４％．卜海的一次能源结构历来以煤炭为主，１９９７年煤炭实用量占能源总消费量７０％，２００４年按煤炭消耗量占能源总消费量７０％计算，全年消耗煤炭５１００万ｔ．超大量用煤给上海市交通运输带来巨大压力，也是产生上海城市大气污染的丰要原因之一，预计２０１０年煤炭消耗量将达到９０００万ｔ，届时ｓ０：排放量将超过ｔ５０万ｔ，大大超过国家限定上海市ｓＯ：排放总量指标．同时，煤炭燃烧产生大量的悬浮颗粒物，使上海市的可吸入颗粒物扎染也十分严重．

２上海市２００５年空气污染水平

２．１数据来源及处理

根据上海市２００５年大气卒气质量监测结果（上海环境热线：ｗｗｗ．ｅｎｖｉｒ０１１１ｉｎｅ．ｓｈ．ｃｎ），将用污染指数表示的当天的可吸人颗粒物（ＰＭ，。），ｓｏ：，ＮＯ：的污染情况转换为质量浓度值，以便对ｆ二海市大气空气质量进行分析．

２．２上海市２帅５年环境空气总体质量分析

２００５年，上海市环境空气质量为优的天数为

７６ｄ，为良的天数为２４６ｄ，在空气质量为良以下

的２８９ｄ中，首要污染物为ＰＭ，。，ｓＯ：和ＮＯ：的

天数分别为２４７，３９和３ｄ，分别占总数的

８５．５％，１３．５％和１．０％．２００５年上海城区

ＰＭ。，ｓ０２和Ｎｏ：年日均值分别为Ｏ．０８８，ｏ．０６１

质量标准》（ＧＢ３０９５—１９９６）二级标准・２００２一

２００５年的监测数据表明（图ｉ），ＰＭ－ｏ总体呈下降

趋势，ｓｏ：污染总体呈平缓上升趋势，ＮＯ：污染

变化较小‘．这些情况说明上海市的大气质量正在逐步好转，Ｊ）Ｍ．。污染得到一定的控制，但ｓｏ：污染变得严重，Ｎｏ：污染则居高不下．

２．３上海市大气污染物浓度变化情况

２００５年上海市的ＰＭ，。最小、最人、年平均值分别为０．０２１，ｏ．３０８，ｏ．０８８ｍｇ／ｍ３，最大值是最小值的１４．７倍；ｓ０：最小、最大、年平均值分别为ｏ．０１５，０．１５７，Ｏ，０６ｌｍ昏／ｍ３，最大值是最小值的１０．４倍．ｓ０：的最夫最小值之问相差较小，说明造成上海市的ｓ０：污染的因素变化较小，因为上海燃煤作为能源的主要是电厂等工业用户”ｏ，消耗量变化较小，不像北京等北方城市受冬季采暖燃煤影响严重”１．

图２（ａ）是上海市２００５年污染物浓度月度变化曲线，２００５年上海市ＰＭ，。浓度月平均为１１月最高（Ｏ．１３８ｍｇ／ｍ３），２月最低（Ｏ．０５７ｍ∥ｍ３）；ｓ０：浓度月平均为１２月最高（ｏ．０８５ｍｇ／ｍ３），５月最低（Ｏ０４０竺竺！？ｊ、●∥“３，除５０ｚ外，均蔗犁！环境空气图１上海市２００２２００５年大气污染物平均浓度变化ｎ导ｌ‘ｊ，唧萍㈣ｔ：ｅｎ血Ｉｉｏｎｄ商ｐｏｕｕｔａＩｌ￡ｓｊｎｓｈ。如ｉｄ。ｉ。＃２００２—２００５ｍｇ／ｍ３）；Ｎｏ：浓度月平均为３月最高（ｏ．０８０ｍｇ／ｍ３），９月最低（ｏ．０３９ｍ∥ｍ’）；说明上海市２００５年ＰＭ。污染随季节变化较大，听ｓ０：和ＮＯ：污染随季节变化较小．分别以３—－５月为春季，６—８月为夏季，９—１１月为秋季，１２月到次年２月为冬季，可以得出２００５年ＰＭ。。季度平均值的变化为：春＞秋＞冬＞夏（图２（ｂ））．这些变化说明影响可吸人颗粒物浓度的因素较多，这些因素主要包括植被、降水、

，上海市环境保护局上悔市环境状况公报。２００２—２∞５

煤炭学报２００７年第３２卷

（ｂ）

图２上海』仃２００５年大气污染物变化

ｎｇ２ＣｏｎｃｅｎＬｍ【１（）ｎｖａ—ａｔｉｏｎｏ｛ａ扛ｐｏ儿ｕｔａｌｌｔｓｉ儿Ｓｈ姐ｇｈ㈣２（）０５

逆温、风等因素”ｏ．２００５年上海市ｓ０：浓度的季节性变化较小，浓度季度甲均值比较：为冬＞春＞秋＞夏，只有细微差别．２００５年上海市Ｎｏ：月平均浓度变化幅度不人，这是凼为产生ＮＯ：的原冈除了煤炭的燃烧外”，主要是机动车的尾气排放“，季节变化不是特别明显，ＮＯ。浓度的变化主要受气象因素（如风、逆温等）影响。…，大气稳定度高时，污染物容易积累，浓度增加；而大气稳定度低时，污染物容易扩散，浓度较低

３上海市与燃煤有关的大气颗粒物的微观形貌分析

采集上海市大气ＰＭ。颗粒物并进行场发射扫描电镜（ＦＥｓＥＭ）分析，通过ＦＥｓＥＭ图像可以得到ＰＭ．。中不同类型颗粒物的形貌特征及比例，样品采集及分析过程等可参考文献［７，８］．可以发现以下几类和煤炭燃烧有关的颗粒物类型．

３．１烟尘集合体

烟坐集合体主要是指在高温下（＞６００℃）燃烧生成的由很小的球体组成的串珠状聚合体，一般认为它是由牛物物质或化石燃料不完全燃烧产生的非纯净碳元素，碳元素含量达６０％以上，其它丰要元素有氢、氧、氮和硫”１．烟尘集合体一直是可吸人颗粒物研究的重点之一，对于国内城市大气，燃煤和机动车尾气是烟尘集合体的２个最主要来源．

和其它城市一样，烟尘颗粒在ｒ海市丌丁吸人颗粒物中占有较人比例，烟尘集合体的形貌特征也比较明硅（图３）烟尘集合体呈明姥的分形特征，形态上有链状、“蓬松状”集合体，也有老化或吸湿后形成的较粗的密交颗粒不同污染源排放的烟尘集合休特征并不是完全相｜１ｊ１的，炯尘集合体颗粒在常温下是惰性的，并且不溶于任何溶剂巾，如果烟尘集合体含有硫元素或其它成分，会具有一定的吸湿性，在大气中的形态会发牛变化”１，而烟尘集合体吸附其它类型的污染物，如硫酸盐和硝酸盐以后，不但形态会发生改变”“，其吸湿件也更强．

阿３上海市ＰＭ。。的ＦＥｓＥＭ典型图像

Ｆｉ昏３ＴｙｐｉｃａｌＦＥＳＥＭｉｍ８９幅ｏｆＰＭｍｍＳｈａ“ｇｈａｉ

３．２规则矿物颗粒

大气中来自二次化学反应的矿物颗粒竿现较规则的形态，它们形状各异，主要有长条状（针状）颗

第１０期杨拈申等：煤炭燃烧对上海ｆＨ大气质量的髟响分析１０７３粒等（幽３）．能谱分析表明这些规则颗粒的主要成分为ｃａ和ｓ，其。ｐ常还含有较多的Ｋ和Ｍｇ或Ａ１等元素，它们可能主要足石膏这些研究的结果和邵龙义等。“ｏ对北京市人气的ＰＭ，。及Ｋａｌｒｉｎａｋ等”’对美国风凰城大气的研究结果近似．Ｍｏｉ等”４１在实验室模拟了实验室条件下，硫酸氨和方解石发生化学反应生成针状石膏，说明了方解石和硫酸盐可能发生反应生成石膏．但值得注意的是，在上海市ＰＭ．。巾见到的这些长条状石膏有时长度达ｌＯ斗ｍ．在ｒ海市的ＰＭ。。样品中还可以经常见到这类颗粒，它们的出现一定群度上表示了硫的污染，即米自煤炭的燃烧过程中生成的ｓｏ：．

３．３飞灰颗粒

飞灰颗粒主要来源是燃煤和工厂排放，是｝二海市大气ＰＭ，。中另一种类型的颗粒物其形成主要是在燃烧环境下或各种丁业过程的高温下煤中独立矿物或细分散状矿物在高温热动力条件卜‘经分解、熔融和相变，随炯气散出，在温度下降后冷却凝结形成不同成分的飞灰颗粒，其巾石英和黏十矿物转化为硅铝质飞灰颗粒，黄铁矿和方解石分别转化为铁质和钙质飞灰颗粒，有机组分形成碳质飞灰颗粒；根据形态和内部结构可分为空心Ｅ灰颗粒、多孔飞灰颗粒、实心飞灰颗粒。”１；与铝硅质玻璃微珠相比较，铁质微珠表面史料糙，在铁质飞灰颗粒表而，可区分出微粒状和八面体两种类型的赤铁矿和磁铁矿，空心微珠粒径通常大于密实微珠”…．由于国家标准规定电厂ｂ灰必须经过除尘后才能排向大气，研究结果表明：通过电除尘装置排人大气的颗粒物平均粒径为２．５¨ｍ；除尘后飞灰形貌类型简单，主要是圆球或圆形的颗粒“１．

在上海市大气巾采集的ＰＭ．。中的ｂ灰颗粒大多呈圆球形，表面光滑，有时呈椭圆形（图３（ａ）），有时表面吸附有许多超细颗粒．时宗波””往北京采集的样品巾发现过飞灰颗粒表面被许多细小的棒状石膏颗粒包裹的情况

３．４讨论

大气可吸人颗粒物的形貌与其来源有很大关系．如烟尘集合体主要来自燃烧过程，包括煤炭燃烧利机动车尾气，一定程度上表示了煤炭燃烧和机动车污染情况；飞灰则主要来自煤炭燃烧和冶炼过程，它的出现表示了煤炭的燃烧和冶炼过程的强度；规则矿物颗粒一般是大气二次反应的产物，主要来自人为源，特别是燃烧源．根据颗粒物的形貌特征，可以在一定程度上估计其来源．

研究表明’…，上海市和北京市大气ＰＭ。。的颗粒

物类型组成比较复杂，除了大量小规则状矿物颗粒

以外，还见到烟尘集合体、燃煤飞灰，还ＨＪ以经常

遇见规则的长条状矿物等幽４为２００５年两市呵吸

入颗粒物类型组成的平均数量百分比，从不同颗粒

物类型的比例上看，两市有明显不同：上海市的不

规则矿物（２３．３２％）和飞灰（１０４２％）的数量相对

北京（分别为３４．２９％，１８．８５％）米说较少，而上海

市的烟尘集合体（３１．９８％）、规则颗粒物的数量

（２．１９％）及未知细颗粒物的数量（３２．０８％）比北图４２００５年上海、北京两市ＰＭ。。颗粒物组成ｐａ州ｃｌｅｓａｎｄ晦４。『１ｈｅｃｏｎｓｔｉｔｕ№ｃ＊ＰＭ・ｏｊｎＢｅ，ｍｇ・ｎ２００５ｓｈａｌｌ曲ａｉ

京（分别为２０５２％，Ｏ．３６％，２５．９８％）要高．需要指出的是，２００４年北京市煤炭消耗量为２８００万ｔ，其巾工业耗煤２２７ｌ万ｔ＋，相比而言，北京市耗煤比上海市少的多，且北京市民用耗煤有较大的比例．

上海市的小规则矿物数量相对北京较少，说明上海市受沙尘等的影响较轻；由于ｒ海市的燃煤主要是电厂等的锅炉，按要求搬都装有除尘设备，而北京市分散的燃煤及冬季取暖燃煤较多，造成飞灰颗粒物数量较上海多；上海市ＰＭ。中烟尘集合体数量较多，除了和上海、北京两市机动车数量较多（２００４年末，上海市和北京市民用机动车保有量分别为２０２．８５万辆，１８７．１万辆）有关外，和上海市煤炭燃烧有很大的关系；ｒ海巾‘规则矿物颗粒数量较多的原斟可能与上海市煤炭燃烧量巨大，产生的ｓＯ：较多，ｓ０：浓度

＋北京巾环境保护局２００４年北京市环境状况公报

１０７４煤炭学报２００７年第３２卷较高，相对湿度较大，容易发牛大气二次反应有关．町见ｆ：海市町吸入颗粒物中的颗粒物类型深受煤炭燃烧的影响．

４结论

（１）煤炭燃烧和城市的大气质量有密切的关系，由于上海市超大量的煤炭燃烧，造成上海市大气的严蘑污染，特别是大气中的ｓ０：浓度，其年平均值已经超过国家空气质量＿二级标准，并呈逐年上升的趋势，需要采取科学措施加以改善．

（２）煤炭燃烧产生的颗粒物的微观形貌具有明显的特征，可以在一定程度上通过大气ＰＭ．。中的不同类型的颗粒物的情况判定煤炭燃烧对大气污染的贡献．上海市２００５年大气ＰＭ。。中的飞灰、烟尘集合体和规则颗粒物的数量占总颗粒数的比例分别是ｌｏ．４２％，３１．９８％和２．１９％，反映了煤炭燃烧对ｒ海市大气质量的严重影响

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ｃａｒｂｏｎｉｎｓｅｄｉｍｅｎｔｓａｎｄ

ＥｂｅｎＭ，Ｉｎｅｄｅ—ＨｏｆＪＡＡ儿ｉｍｐｍｖｅｄｔｈｅ珊ａ１嘲ｄａｈｏｎｍｅｔｈｏｄｆｏｒｔｈ８叩ａｎｔｉ打ｃａｔｊｏｎ５１９～３５２５．ａｏｆｓ００∥卵ｐｈｉｔｉｃｂｌａｃｋｓｏｉｌｓ［Ｊ］．ＥＩｌｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｓｃｉ删ｅ＆Ｔｅｃｈｍｌｏｇｙ．２００】，３５：３８ｌｅｃｔｍＴｌ１Ｓ．Ｅ删埘埘ｅⅡｔａｌ煳ｎｉ”ｇ

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煤炭燃烧对上海市大气质量影响的分析

作者：

作者单位：杨书申， 邵龙义， 李卫军， 张桂林， 谈明光， YANG Shu-shen， SHAO Long-yi， LI Wei-jun ， ZHANG Gui-lin， TAN Ming-guang杨书申,YANG Shu-shen(中原工学院,环境工程系,河南,郑州,450007;中国矿业大学(北京)煤

炭资源与安全开采国家重点实验室,北京,100083)， 邵龙义,李卫军,SHAO Long-yi,LI Wei-

jun(中国矿业大学(北京)煤炭资源与安全开采国家重点实验室,北京,100083)， 张桂林,谈

明光,ZHANG Gui-lin,TAN Ming-guang(中国科学院,上海应用物理研究所,上海,201800)

煤炭学报

JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETY

2007,32(10)

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18. Buseck P R;Posfai M Airborne minerals and related aerosol particles:effects on climate and theenvironment [外文期刊] 1999

19. Ebert M;Inede-Hof M;Weinbruch S Environmental scanning electron microscopy as a new technique todetermine the hygroseopie behaviour of individual aerosol particles 2002

20. 章树荣 上海能源消费对环境污染程度的探析 1998(03)

引证文献(2条)

1. 陆炳. 孔少飞. 韩斌. 李志勇. 白志鹏 燃煤锅炉排放颗粒物成分谱特征研究[期刊论文]-煤炭学报 2011(11)

2. 何金桥. 陈冬林. 时章明. 刘扬林 CFB锅炉多点排放大气环境污染风险预测[期刊论文]-能源环境保护 2008(6)

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